DE2736729B2 - Couette-Rotationsviskosimeter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Couette-Rotationsviskosimeter mit zwei koaxialen Zylindern, deren äußerer von einem Motor angetrieben wird, dessen Drehzahl mittels eines vom Motor angetriebenen Frequenzgenerators und einer Frequenzvergleichsschaltung auf unterschiedliche Werte konstant regelbar ist, und deren innerer Zylinder gegen eine Kraft verdrehbar gelagert ist.

Bei einem bekannten Couette-Rotationsviskosimeter (Chemie-lngenieur-Technik, 28 (1956), Seite 49—53) ist eine Frequenzmeßbrücke sowie ein mehrstufiges Getriebe vorgesehen, um einen Elektromotor auf verschiedene Drehzahlen einzuregulieren. Ein derart aufgebautes Rotationsviskosimeter hat nicht nur infolge des mehrstufigen Getriebes einen hohen Platzbedarf, sondern ermöglicht auch nicht die über einen großen Bereich hinweg erwünschte genaue konstante Drehzahl. Zwar zeigt US-PS 39 35 726 bei einem Rotationsviskosimeter bereits die Verwendung eines geregelten Gleichstrommotors zum Antrieb des Außenzylinders, ohne aber konkret eine Steuerschaltung anzugeben, die genau konstant gehaltene Drehzahlen ermöglichen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Couette-Rotationsviskosimeter der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß es über einen großen Bereich hinweg genaue konstante Drehzahlen bei gleichzeitig kompaktem Aufbau liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Couette-Rotationsviskosimeter der eingangs genannten Art vor, daß die Frequenzvergleichsschaltung ein Phasenvergleich^ ist, an dessen einem Eingang der Frequenzgenerator und an dessen anderem Eingang ein Wählschalter liegt, der wahlweise eine Verbindung mit einem Festfrequenz-Oszillator mit zugeordneten Frequenzteilern oder einem Oszillator stufenlos einstellbarer Frequenz herstellt, und dessen Ausgang eine Gleichspannung zur Versorgung des als Gleichstrommotor ausgebildeten Motors liefert.

Vorzugsweise ist dem Phasenvergleicher ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Couette-Viskosimeters;

F i g. 2 eine Draufsicht gemäß den Pfeilen 2 in F i g. 1;

Fig.3 ein Blockschaltbild der elektronischen und mechanischen Komponenten des Couette-Viskometers; F i g. 4 die Stromversorgung,

F i g. 5 und 6 die Schaltung der Oszillator-, Zähl- und Digitaldrehzahlmesserabschnitte;

F i g. 7 eine Schaltung des Oszillators für einstellbare Frequenz; und

F i g. 8 eine Schaltung der Motordrehzahlregelung.

F i g. 1 zeigt eine Grundplatte 1, auf der der Rest der Vorrichtung vorzugsweise mittels einer schwenkbaren Anlenkung 2 befestigt ist, so daß das Visko- oder Rheometer nach oben geschwenkt werden kann, um ein mit dem zu überprüfenden Strömungsmittel gefülltes Gefäß 3 anzuordnen, wonach das Viskometer in seine in F i g. 1 gezeigte normale Stellung, zurückgebracht wird.

Der Primärmeßabschnitt des Viskometers weist einen drehbaren äußeren Zylinder 4 auf, innerhalb dem ein innerer Zylinder 5 angeordnet ist. Der Ringraum zwischen dem inneren Zylinder 5 und der Innenseite des äußeren Zylinders 4 wird von der zu testenden Flüssigkeit ausgefüllt. Wird der Zylinder 4 in Drehung versetzt, dann wird dieser Flüssigkeitsring dazu neigen, den inneren Zylinder mitzuziehen. Während der innere Zylinder an einer von Kugellagern 7 und 8 getragenen Spindel 6 angebracht ist, wird die Drehung des inneren Zylinders 5 infolge der Drehung des Zylinders 4 durch die Feder 9 gehemmt. Dementsprechend wird für irgendeine vorgegebene Anzahl von Bedingungen der Drehzahl des Zylinders 4 und der physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden, den Ringraum zwischen dem Zylinder 4 und dem Zylinder 5 einnehmenden Flüssigkeit, der Zylinder 5 sich nur soweit drehen, daß eine Feder 9 in Drehrichtung gespannt wird, um das vom Zylinder 5 ausgeübte Drehmoment auszugleichen. Das Ausmaß der Drehung des Zylinders 5 kann durch die Auslenkung einer Anzeigescheibe 10 festgestellt werden, die an der Oberseite der Spindel 6 angebracht ist (vgl. Fig. 1). Diese Beobachtung wird durch eine Vergrößerungslinse 11 erleichtert, durch die eine auf der Anzeigescheibe eingravierte Skala beobachtet werden kann.

Das Viskometer ermöglicht, den äußeren Zylinder 4 mit irgendeiner von mehreren vorgewählten Drehzahlen in Drehung zu versetzen, die Umstellung von einer Drehzahl zu irgendeiner anderen rasch und mühelos durchzuführen, eine digitale Anzeige der jederzeitigen genauen Drehzahl des Zylinders 4 und die Bestimmung des auf den inneren Zylinder 5 ausgeübten Drehmoments.

Während beliebige Drehzahlen verwendet werden können, so wird doch bevorzugt, jene bei der Technik der Untersuchung von Bohrflüssigkeiten üblichen Drehzahlen zu verwenden, die 3, 100, 200, 300 und 600 Umdrehungen pro Minute (min-¹) betragen. Auch die Möglichkeit der Einstellung der Drehzahl des äußeren Zylinders 4 von Hand auf jeden gewählten Wert zwischen etwa 2 (min-') und 650 (min~') ist vorgesehen.

Es wird ein Gleichstrommotor 12 vorgesehen, der den Zylinder 4 mittels einer Schnecke 13 antreibt, die mit einem an dem Zylinder 4 angebrachten Schneckenrad 14 in Eingriff steht. Das entgegengesetzte Ende der Welle des Motors 12 trägt eine optische Kodierscheibe

15, auch als »Zerhackerscheibe« bekannt, die in einer weggebrochenen Draufsicht in Fig.2 gezeigt ist Die Scheibe 15 besteht aus transparentem Material, wie es für einen photographischen Planfilm verwendet wird, und trägt auf ihrem äußeren Abschnitt eine Reihe von radial angeordneten schwarzen und transparenten Sektoren. Eine üblicherweise als fertige Einheit erhältliche (wie etwa die Lichtquellen und Fühleinrichtung des Typs T1 L138 der Texas instruments) optisch-elektronische Baueinheit 16 übergreift einen Teil der über das Motorgehäuse vorstehenden Scheibe 15. Diese Anordnung umfaßt in der Baueinheit 16 eine infrarotemittierende Diode an der Stelle 17, sowie einen Siliciumphototransistor an der Stelle 18. Das von der Diode 17 emittierte Licht tritt durch eine enge öffnung in einer Maske 19 auf seinem Weg zum Fühler 18 hindurch. Die öffnung in der Maske 19 ist geringfügig schmaler als die Breite der schwarzen und durchsichtigen Abschnitte der Scheibe 15 und flüchtet mit diesen. Dementsprechend wird, wenn die Scheibe 15 umläuft, das den Fühler 18 erreichende Licht von den schwarzen Linien auf der Scheibe J5 unterbrochen, was das Auftreten eines quasi-sinusartigen Signals veranlaßt, das vom Fühler 18 mit derselben Frequenz übertragen wird, wie die, die vom Durchgang der undurchsichtigen Linien quer zur Maske geliefert wird. Ein Schmitt-Trigger 20 formt dieses Signal, bevor es an die Phasenvergleicher- und Digital-Tachometerschaltung abgegeben vi ird.

Die elektronischen Schaltungen des Viskometers werden in geeigneter Weise in dem in F i g. 1 mit 47 bezeichneten Zwischenraum angeordnet, wobei der Transformator für die Stromversorgung vorzugsweise an einer Stelle 21 angeordnet ist. Diese Schaltungen werden nun im einzelnen beschrieben.

Fig.3 ist ein Blockschaltbild der elektrischen und elektronischen Schaltungen, wobei vorzugsweise die Betriebsmöglichkeit für das Viskometer aus einer 12 V-Gleichstrombatterie oder alternativ durch Wechselstrom mit 50 bis 60 Hertz und 115 oder 230 Volt vorgesehen sind. Das Bezugszeichen 22 in F i g. 3 zeigt eine unstabilisierte Gleichstrom Versorgungseinheit an, wobei ein Gerät 23 der Stromversorgungswähler und der An/Aus-Schalter ist. Die Vorrichtungen 24, 25 und 26 liefern 5 Volt, 10 Volt bzw. 12VoIt stabilisierten Gleichstroms, wie er in den Schaltungen benötigt wird. Die Schaltung 27 bietet einen Umpolungsschutz und überbrückt den Stabilisator 26 für 12 Volt während des Betriebes mit einer 12-Volt-Gleichstrombatterie.

Es werden fünf festgelegte Frequenzen vorgesehen, die von einem Festfrequenz-Oszillator 28 und Frequenzteilern 40, 41, 42, 43 und 44 geliefert werden. Ferner ist auch ein Oszillator 29 für kontinuierlich einstellbare (variable) Frequenz vorgesehen, der von der Betätigungsperson von Hand unter Verwendung des Drehknopfes 30 auf jeden Wert eingestellt werden kann, der Drehzahlen von 2 bis 650 (min-¹) entspricht. Ein Wählschalter 31 gestattet das Einschalten einer jeden der fünf festgelegten Frequenzen sowie auch der kontinuierlich einstellbaren Frequenz vom Festfrequenzoszillator 29 her. Der Motor 12 ist in Fig.3 mit seinem Schwungrad 32 dargestellt, an dem die optische Digitalkodierschetbe 15 angebracht ist. Die Wirkverbindung von Motor und Schwungscheibe treibt die drehbare zylindrische Hülse 4.

Das vom optischen !Codierer 15 von der optisch-elektronischen Baueinheit 16 abgenommene Signal wird über den Schmitt-Trigger 20 dem digitalen Tachometer bzw. Drehzahlmesser 33 zugeleitet, und auch (vgl.

F i g. 3) dem Phasenvergleicher 34, der auch das vom Schalter 31 gewählte Frequenzsignal empfängt. Vom Phasenvergleicher tritt das Signal durch den Tiefpaßfilter 35, den Verstärker 36 und den Leistungsverstärke^r 37 hindurch, wo es den Motor 12 mit der gewünschten Drehzahl antreibt.

Zur weiteren Erläuterung werden nun auf der Basis des Blockschaltbilds in F i g. 3 die anderen Figuren beschrieben.

iü Fig.4 zeigt den Stromversorgungswähl- bzw. An/ Aus-Schalter 23, den Leistungstransformator 21, den Zweiwege-Gleichrichter 38 und den Filterkondensator 39, wodurch 12 bis 18VoIt nicht stabilisierter Gleichspannung erzeugt werden. Die Stabilisatoren 24,25 und

ij 26 erzeugen bei 5, 10 und 12VoIt stabilisierten Gieichstrom für die verschiedenen Regel- und Arbeitsschaltungen (vgl. Fig.5, 6, 7 und 8). Eine Umpolungsschutzschaltung 27 enthält eine !Combination aus Relais und Diode, um den 12-V-Stabilisator 26 während des 12-Volt-Batteriebetriebs zu überbrücken.

F i g. 5 zeigt die Einzelheiten des Festfrequenzoszillators 28, der vorzugsweise eine Frequenz von 32 kHz erzeugt. F i g. 5 zeigt auch Einzelheiten des Wählschalters 31 und der Frequenzteiler 40, 41, 42, 43, 44, 45 und 46,

Fig.6 zeigt Einzelheiten des digitalen Drehzahlmessers 33, während F i g. 7 Einzelheiten des Oszillators 29 mit kontinuierlich einstellbarer Frequenz darstellt.
Fig.8 zeigt die Einzelheiten des Phasenvergleichers

jo 34, des Tiefpaßfilters 35, des Verstärkers 36 und des den Motor 12 antreibenden Leistungs- oder Motorantriebsverstärkers 37. Ferner sind Einzelheiten des optischen Digitalkodierers 15,16 und 20 gezeigt, der sein Signal zu dem Phasenvergleicher 34 zurückführt.

Der Motor 12 ist ein Gleichstrommotor: Es wird ein Gleichstrommotor mit einem Permanentmagneten zum Einsparen von Platz und Kosten vorgezogen. Die Drehzahl, mit der ein derartiger Motor läuft, ¹St eine Funktion der angelegten Spannung und Belastung.

Aufgrund der gezeigten Schaltungen wird die an den Motor 12 vom Verstärker 37 angelegte Spannung automatisch derart eingestellt, daß sie genau die erforderliche Spannung ist, um den Motor mit der gewählten Drehzahl anzutreiben, unabhängig von der Last, die von den Theologischen Eigenschaften des zu untersuchenden, dem Motor ausgesetzten Strömungsmittel abhängt. Die Drehzahl, mit der der Motor in jedem Augenblick umläuft, wird vom optischen Kodierer 15, 16 und 20 gemessen, und zum Phasenvergleicher 34 zurückgeführt, der sie mit der den Vergleicher 34 vom Schalter 31 eingegebenen Frequenz vergleicht. Die verbleibenden Einheiten 35, 36 und 37 bewirken die genaue Zufuhr der erforderlichen Gleichstromspannung für den Motor 12.

Das Verfahren kann insbesondere bei der Viskositätsmessung von Rotationsbohrflüssigkeiten an Ölquellen, Bohrungen etc. verwendet werden, da das beschriebene Verfahren eine genaue, den vorgewählten Wert beibehaltende Drehzahl, unabhängig von der viskosen

bo Schleppkraft der einzelnen überprüften Flüssigkeiten aufweist, was sich durch die gegenseitige Beziehung von Hülse, Zylinder, Motoreinrichtung, Drehzahimeßeinrichtung, Oszillatoreinrichtung und der elektronischen Einrichtung und anderen Verbindungseinrichtungen

b5 zwischen diesen Teilen ergibt.

Wie der Fachmann erkennen wird, kann die extrem niedrige Geschwindigkeit, beispielsweise 3 (min-¹), in bequemer Weise verwendet werden, um die Scherfe-

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stigkeit der Flüssigkeit zu bestimmen. Wenn man von der Ruhelage aus anläuft, dann zieht die Hülse den Zylinder unter Anspannung der Feder 9 mit sich, bis die Flüssigkeit anfängt, einer Scherw irkung unterzogen zu werden, wobei an dieser Stelle das Drehmoment optisch beobachtet werden kann.

Die im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete optische Kodierscheibe 15 kann durch irgendeine Anzahl anderer Kodiereinrichtungen ersetzt w< die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Es auch eine andere als eine optische Einrichtu derartigen Vorrichtungen verwendet werden, wie eine magnetische Einrichtung. Alle derartigen Ei tungen sind unter dem Begriff »Digitalkod zusammengefaßt.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Couette-Rotationsviskosimeter mit zwei koaxialen Zylindern, derer äußerer von einem Motor angetrieben wird, dessen Drehzahl mittels eines vom Motor angetriebenen Frequenzgenerators und einer Frequenzvergleichs-Schaltung auf unterschiedliche Werte konstant regelbar ist, und deren innerer Zylinder gegen eine Kraft verdrehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvergleichsschaltung ein Phasenvergleicher (34) ist, an dessen einem Eingang der Frequenzgenerator (15, 16) und an dessen anderem Eingang ein Wählschalter (31) liegt, der wahlweise eine Verbindung mit einem Festfrequenz-Oszillator (28) mit zugeordneten Frequenzteilern (40—46) oder einem Oszillator (39) stufenlos einstellbarer Frequenz herstellt, und dessen Ausgang eine Gleichspannung zur Versorgung des als Gleichstrommotor (12) ausgebildeten Motors liefert.

2. Rotationsviskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Phasenvergleicher (34) ein Tiefpaßfilter (35) nachgeschaltet ist.